高地應(yīng)力環(huán)境下隧道圍巖強(qiáng)度特征研究

余洪璋 馮 君 姜 波 張廣澤

(1. 中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 成都 610031;東北大學(xué)， 沈陽(yáng) 110004)

我國(guó)西南艱險(xiǎn)山區(qū)地形、地質(zhì)條件復(fù)雜，不良地質(zhì)廣布，各項(xiàng)工程布設(shè)困難，超長(zhǎng)且超埋深隧道多處于高地應(yīng)力地質(zhì)環(huán)境，巖爆、大變形等潛在工程地質(zhì)問題突出。深埋隧道在硬質(zhì)巖地區(qū)易出現(xiàn)巖爆，在軟質(zhì)巖地區(qū)則易出現(xiàn)大變形[1-6]。

高地應(yīng)力環(huán)境下，隧道工程地質(zhì)問題及相關(guān)處治措施與圍巖強(qiáng)度特征相關(guān)。目前勘察設(shè)計(jì)中往往只考慮到了巖石的天然強(qiáng)度，而實(shí)際上隧道圍巖在高地應(yīng)力環(huán)境下面臨三種巖石強(qiáng)度，分別是天然強(qiáng)度、原巖強(qiáng)度和卸荷強(qiáng)度，在不同的高地應(yīng)力地質(zhì)環(huán)境下，三種強(qiáng)度所表現(xiàn)的工程特征不盡相同，不能統(tǒng)一按照一種強(qiáng)度進(jìn)行工程特性分析。本文從高地應(yīng)力環(huán)境下可能存在的地質(zhì)環(huán)境變化出發(fā)，結(jié)合實(shí)際鐵路工程實(shí)例，分析隧道圍巖三種強(qiáng)度的工程特性。

1 高地應(yīng)力環(huán)境地質(zhì)特征

高地應(yīng)力環(huán)境下，隧道工程往往受區(qū)域地應(yīng)力場(chǎng)和不同類型地質(zhì)構(gòu)造的影響。

1.1 區(qū)域地應(yīng)力場(chǎng)

地應(yīng)力為工程建設(shè)開挖之前，天然巖體內(nèi)部賦存的自然應(yīng)力，地應(yīng)力場(chǎng)的形成成因非常復(fù)雜，一般認(rèn)為是巖體重力和地球板塊歷次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)發(fā)展的結(jié)果。實(shí)際隧道工程所處地應(yīng)力場(chǎng)分為宏觀和微觀兩個(gè)層面，宏觀層面即為區(qū)域地應(yīng)力場(chǎng)，微觀層面即為局部地應(yīng)力場(chǎng)。傳統(tǒng)工程地質(zhì)中對(duì)巖體強(qiáng)度特性的研究往往考慮的是局部應(yīng)力場(chǎng)，而區(qū)域地應(yīng)力場(chǎng)與地層巖性和局部地質(zhì)構(gòu)造無(wú)關(guān)，往往關(guān)乎于隧道所處的地質(zhì)背景。在高地應(yīng)力環(huán)境下，宏觀區(qū)域地應(yīng)力場(chǎng)對(duì)工程設(shè)計(jì)、施工的影響至關(guān)重要。在相同的地質(zhì)背景下，軟巖不易積聚地應(yīng)力，而硬巖容易積聚地應(yīng)力；完整性好的巖體容易積聚地應(yīng)力，而完整性差的巖體不易積聚地應(yīng)力。巖體的應(yīng)力狀態(tài)是影響高邊坡巖體穩(wěn)定性、地下工程圍巖穩(wěn)定性、大型水電站工程壩基壩肩穩(wěn)定性的重要因素，也是工程設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)之一，分析和確定地應(yīng)力場(chǎng)的分布特征和規(guī)律已成為工程力學(xué)研究的熱點(diǎn)問題之一。深埋隧道穿越高地應(yīng)力環(huán)境時(shí)，圍巖存在三個(gè)強(qiáng)度狀態(tài)，可以表述為原巖強(qiáng)度、天然強(qiáng)度和卸荷強(qiáng)度。

1.2 地質(zhì)構(gòu)造特征

巖體是巖石受構(gòu)造擠壓產(chǎn)生各種破裂面后形成的結(jié)構(gòu)體，其彈性勢(shì)能大部分儲(chǔ)存在巖體結(jié)構(gòu)上，只有少部分儲(chǔ)存在巖石晶格之間。當(dāng)巖石堅(jiān)硬、結(jié)構(gòu)面貫通性差時(shí)，由地應(yīng)力作用產(chǎn)生的彈性勢(shì)能，主要儲(chǔ)存在微裂隙呈半封閉或封閉狀態(tài)的巖體結(jié)構(gòu)中，彈性勢(shì)能的高低取決于微裂隙的多少。微裂隙越多彈性勢(shì)能越高。如果彈性勢(shì)能過高，隧道開挖卸荷后，勢(shì)能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能，巖塊、巖屑如同子彈出堂，導(dǎo)致巖爆發(fā)生。

當(dāng)巖石堅(jiān)硬、結(jié)構(gòu)面貫通性好時(shí)，由地應(yīng)力作用產(chǎn)生的彈性勢(shì)能，主要儲(chǔ)存在結(jié)構(gòu)面相互交切的巖體“框架結(jié)構(gòu)”上，它是“框架結(jié)構(gòu)”發(fā)生變位、變形而積聚的能量。隧道開挖卸荷后，圍巖為恢復(fù)先前的狀態(tài)，主要表現(xiàn)為以塊體為單元的彈性勢(shì)能的釋放。如果“框架結(jié)構(gòu)”初始變形量過大，積聚的彈性勢(shì)能過高，隧道開挖卸荷后則可能以單個(gè)或多個(gè)巖塊突出、擠出的形式釋放彈性勢(shì)能，其結(jié)果就是發(fā)生墜落式巖爆、崩塌或大變形。大變形和巖爆是圍巖變形的兩種極端狀態(tài)，兩者之間還有中間狀態(tài)。由于中間狀態(tài)對(duì)隧道開挖影響不大，工程界只作為正常的圍巖支護(hù)對(duì)待。隨著完整性的降低，當(dāng)巖體呈碎裂狀時(shí)，圍巖變形大多以蠕變的方式擠出，發(fā)展為大變形。以鐵路隧道實(shí)例列舉高地應(yīng)力環(huán)境地質(zhì)構(gòu)造特征如表1所示。

表1 高地應(yīng)力環(huán)境地質(zhì)構(gòu)造特征(鐵路隧道實(shí)例)

2 隧道圍巖強(qiáng)度特征

圍巖的強(qiáng)度包含了巖塊、巖體的結(jié)構(gòu)面及層間填充物的強(qiáng)度，是隧道圍巖的穩(wěn)定性的決定因素。傳統(tǒng)方法進(jìn)行圍巖強(qiáng)度分析時(shí)，往往只考慮了巖石天然強(qiáng)度，而高地應(yīng)力環(huán)境下，應(yīng)根據(jù)不同的地質(zhì)構(gòu)造作用，選取適宜的巖石強(qiáng)度進(jìn)行分析。高地應(yīng)力是一個(gè)相對(duì)的概念，是相對(duì)圍巖巖體強(qiáng)度(Rcm)而言的。也就是說，當(dāng)巖體強(qiáng)度與最大原位初始地應(yīng)力(σmax)的比值(Rcm/σmax)達(dá)到某一水平時(shí)才可能發(fā)生大變形。研究表明，當(dāng)強(qiáng)度應(yīng)力比小于0.3～0.5時(shí)，即能產(chǎn)生比正常隧道大一倍以上的變形。考慮地層時(shí)代、優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、巖石強(qiáng)度、巖層厚度、巖體完整性等諸多因素，將高地應(yīng)力環(huán)境下巖石強(qiáng)度歸結(jié)為天然強(qiáng)度、原巖強(qiáng)度和卸荷強(qiáng)度三類。

2.1 天然強(qiáng)度

圍巖天然強(qiáng)度，是指成巖后天然條件下的巖體強(qiáng)度。巖體天然強(qiáng)度決定于礦物組成和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，與地應(yīng)力、溫度等具體賦存環(huán)境無(wú)關(guān)。在高地應(yīng)力環(huán)境下，巖體天然強(qiáng)度也是存在的。如深切河谷在緩慢卸荷條件下，谷坡、谷底基巖強(qiáng)度就是天然強(qiáng)度。河流下切是個(gè)地質(zhì)歷史概念，非常緩慢，在這個(gè)過程中巖體受到的擾動(dòng)很小，幾乎可以忽略不計(jì)，于是在河谷下切過程中，谷坡、谷底基巖就能基本保持原先的礦物結(jié)構(gòu)，近乎天然狀態(tài)的存在。

2.2 原巖強(qiáng)度

原巖強(qiáng)度是指巖體在隧道未開挖的初始應(yīng)力狀態(tài)下的強(qiáng)度。按牛頓第三定律，作用力與反作用力是大小相等方向相反的一對(duì)力。反作用力只能靠巖體強(qiáng)度提供，可以設(shè)想，當(dāng)?shù)貞?yīng)力小于巖體天然強(qiáng)度時(shí)，原巖強(qiáng)度就是天然強(qiáng)度。若地應(yīng)力逐漸加大，而巖性不變，最終巖體中的地應(yīng)力就會(huì)大于巖體天然強(qiáng)度，這種情況下，原巖強(qiáng)度就會(huì)隨著地應(yīng)力增加而增大。

2.3 卸荷強(qiáng)度

卸荷強(qiáng)度是指處于高地應(yīng)力條件下的巖體，在應(yīng)力解除后的強(qiáng)度。在高地應(yīng)力環(huán)境鉆探，巖芯出現(xiàn)餅化現(xiàn)象，強(qiáng)度急劇喪失，就是原巖強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為卸荷強(qiáng)度的實(shí)證。在隧道開挖中，初揭時(shí)圍巖強(qiáng)度較高，隨著時(shí)間的推移，強(qiáng)度逐漸喪失，甚至手掰即開，跟初揭時(shí)判若兩樣，過程中還伴隨著圍巖的顯著變形。大變形和巖爆，本質(zhì)上都是應(yīng)力解除導(dǎo)致的，可以說是高地應(yīng)力環(huán)境下圍巖的卸荷現(xiàn)象。

3 圍巖變形防控理念

在高地應(yīng)力環(huán)境下，傳統(tǒng)的圍巖變形防控理念也不盡完全適用。隧道圍巖大變形尤其是高地應(yīng)力下大變形問題已成為世界性的地下工程難題之一。國(guó)內(nèi)外已有諸多高地應(yīng)力環(huán)境下發(fā)生大變形災(zāi)害的工程案例，如陶恩隧道、惠那山隧道、南昆鐵路的家竹菁隧道、蘭渝鐵路木寨嶺隧道、蘭新鐵路烏稍嶺隧道、金川有色金屬礦區(qū)巷道等[7-12]。針對(duì)隧道圍巖變形破壞的誘發(fā)機(jī)制和表現(xiàn)形式，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者相繼提出了多種防控理論學(xué)說。其中較為廣泛認(rèn)可的有 “新奧法”、“收斂約束法”、“軟巖工程力學(xué)支護(hù)理論”等?！靶聤W法”是由奧地利學(xué)者L.V.RABCEWICZ于1948年提出[9-11]的，并于上世紀(jì)60～70年代引入我國(guó)。該學(xué)說的主要思想是充分利用圍巖的自承能力，采用錨桿和噴射混凝土為主要支護(hù)手段，及時(shí)對(duì)圍巖進(jìn)行加固，適應(yīng)圍巖的變形，防止產(chǎn)生有害松弛變形?！笆諗考s束法”又稱為“圍巖支護(hù)特性曲線法”[13-15]，該方法的發(fā)展有賴于巖石力學(xué)和“新奧法”的發(fā)展。收斂約束思想最初由Fenner提出，該方法應(yīng)用彈塑性理論推導(dǎo)出了隧道支護(hù)壓力與隧道開挖邊界位移的關(guān)系曲線，根據(jù)該曲線的基本特征，認(rèn)為隧道支護(hù)壓力隨隧道邊界位移的增大而減小。該方法反映了圍巖與支護(hù)之間的相互作用機(jī)理，對(duì)于如何充分發(fā)揮圍巖的自承能力具有較大意義?！败泿r工程力學(xué)支護(hù)理論”[16-17]由何滿潮院士提出，運(yùn)用工程地質(zhì)學(xué)和現(xiàn)代大變形力學(xué)相結(jié)合的方法，通過分析軟巖變形力學(xué)機(jī)制，提出了以轉(zhuǎn)化復(fù)合型變形力學(xué)機(jī)制為核心的新的軟巖巷道支護(hù)理論。

盡管國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)隧道圍巖變形破壞的防控理論進(jìn)行了大量研究，并在實(shí)際的隧道工程中予以應(yīng)用，解決了一些實(shí)際工程問題。但隨著我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施的快速發(fā)展，針對(duì)處于高地應(yīng)力環(huán)境，且往往發(fā)生主要以構(gòu)造應(yīng)力為主的大變形的工程建設(shè)項(xiàng)目，其大變形的設(shè)計(jì)應(yīng)有新的防控理念。

3.1 防控理念

大變形的本質(zhì)是原巖解除應(yīng)力所致，其根本原因是由于卸荷強(qiáng)度比原巖強(qiáng)度低得多，在卸荷過程中不可避免地出現(xiàn)顯著變形。

由于原巖的開挖卸荷，洞壁處出現(xiàn)應(yīng)力集中，當(dāng)圍巖強(qiáng)度足夠時(shí)，應(yīng)力很快形成新的平衡，這就是圍巖自穩(wěn)；但圍巖強(qiáng)度過低，卸荷后原巖發(fā)生破壞，無(wú)法在洞壁處形成平衡，則應(yīng)力集中將向圍巖深部發(fā)展，若長(zhǎng)時(shí)間無(wú)法形成新的平衡，則表現(xiàn)為圍巖的持續(xù)變形，這種變形將可能使整個(gè)洞室喪失穩(wěn)定帶來不可接受的后果。因此，在隧道開挖后，要迅速采取加固措施，避免圍巖強(qiáng)度過度喪失。理想的辦法就是，開挖后迅速噴混凝土、實(shí)施短錨桿，先穩(wěn)住圍巖，形成類似“千層底”的加固圈，然后再實(shí)施長(zhǎng)錨桿，將“千層底”的根生到原巖中。同時(shí)架設(shè)鋼架并盡快封閉，并根據(jù)情況適當(dāng)注漿，改善圍巖強(qiáng)度，形成良好的受力拱。為了減小對(duì)圍巖的擾動(dòng)，提高卸荷強(qiáng)度，縮短封閉時(shí)間，還應(yīng)推行機(jī)械化開挖。因?yàn)椴捎玫V山法施工，爆破過程始終有突發(fā)性，容易造成既有結(jié)構(gòu)面突然張開，卸荷強(qiáng)度顯著降低。

綜上所述，軟巖大變形應(yīng)遵循“適度釋放、主動(dòng)控制、強(qiáng)化支護(hù)、后注漿修復(fù)圍巖、充分調(diào)動(dòng)圍巖的自承載能力，控制塑性區(qū)發(fā)展”的防控理念，即通過一定強(qiáng)度的支護(hù)結(jié)構(gòu)，采用大型機(jī)械配套，改善開挖方法，強(qiáng)化錨桿，加強(qiáng)鋼架，以實(shí)現(xiàn) “快挖、快支、快錨、快封閉”，以較小的代價(jià)實(shí)現(xiàn)對(duì)圍巖的保護(hù)和主動(dòng)加固，最終達(dá)到變形防控目的。

3.2 工程案例

成蘭鐵路躍龍門隧道3號(hào)斜井工區(qū)埋深約 1 100 m，地層巖性為震旦系邱家河組(Zbq)炭質(zhì)板巖、頁(yè)巖夾砂質(zhì)板巖，巖體強(qiáng)度約3 MPa。施工中過程中發(fā)生了嚴(yán)重大變形，最大變形量達(dá)2 m以上，躍龍門隧道3號(hào)斜井工區(qū)正洞變形如圖1所示。

圖1 躍龍門隧道3號(hào)斜井工區(qū)正洞變形圖

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)圍巖變形特征，采取主動(dòng)控制技術(shù)。(1)將開挖斷面調(diào)整為圓形斷面，更有利于結(jié)構(gòu)受力。(2)根據(jù)變形發(fā)展特點(diǎn)，設(shè)計(jì)多層支護(hù)，采用長(zhǎng)短組合錨桿主動(dòng)加固圍巖。(3)配置大型機(jī)械，實(shí)現(xiàn)快速開挖，快速封閉成環(huán)，減少圍巖松弛。

通過上述措施，成洞變形量控制在30 cm以內(nèi)，大變形得到有效防控?，F(xiàn)場(chǎng)成洞效果影像如圖2所示。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)成洞效果影像圖

4 結(jié)論

本文將高地應(yīng)力地質(zhì)環(huán)境及地質(zhì)構(gòu)造因素下的隧道圍巖強(qiáng)度分為三類，并結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)以構(gòu)造應(yīng)力為主的軟巖大變形防控理念進(jìn)行了綜合分析，得到以下結(jié)論：

(1)高地應(yīng)力環(huán)境下，隧道圍巖應(yīng)考慮三種巖石強(qiáng)度，分別是天然強(qiáng)度、原巖強(qiáng)度和卸荷強(qiáng)度。在不同的高地應(yīng)力地質(zhì)環(huán)境下，三種強(qiáng)度所表現(xiàn)的工程特征不盡相同，不能統(tǒng)一按照一種強(qiáng)度進(jìn)行工程特性分析。

(2)對(duì)以構(gòu)造應(yīng)力為主的隧道圍巖大變形和巖爆，應(yīng)著重考慮圍巖的卸荷強(qiáng)度。

(3)針對(duì)構(gòu)造應(yīng)力為主的軟巖大變形，本文提出了“千層底”加固圈的防控理念，并提出了“快挖、快支、快錨、快封閉”的主動(dòng)防控設(shè)計(jì)方法。